광학실험Ⅰ실험 4 : 빛의 굴절 법칙 11. 목적광선 보기 테이블을 이용해 굴절의 법칙이 유요한가를 시험하고 아크릴의 굴절률을 측정한다.2. 이론적 배경빛의 굴절은 빛이 어느 한 물질에서 다른 물질로 진행할 때, 매질의 밀도 차이에 의해 빛 좌우의 속도 차이가 생겨서 경계면에서 진행 방향이 꺾이는 현상을 말한다. 법선은 경계면과 수직인 선이고, 입사광선은 경계면을 향하여 들어가는 빛이며 굴절 광선 나아가는 빛이다. 입사각은 입사 광선과 법선이 이루는 각이며, 굴절각은 굴절 광선과 법선이 이루는 각이다 입사광선, 반사광선, 투과광선, 법선은 모두 같은 평면상에 있다.굴절률(refractive index, n)은 굴절되는 정도를 나타내는 비례상수로 n=c/v 이다. 반사의 법칙에 의하면 이며 굴절의 법칙에 의하면 이다. 이것이 스넬의 법칙(Snell’s law), 굴절의 법칙(the laws of refraction)이다.3. 실험방법 및 결과< 실험장비 : 광학대, 광원, 광선 보기 테이블, 광학 부품 고정대, 슬릿판, 슬릿 마스크, 원통형렌즈 >1. 슬릿판과 슬릿마스크를 빛이 한 줄기만 나오도록 배치하고 광선 보기 테이블의 중앙을 통과하도록 조절한다.2. 원통형렌즈의 평면을 광원에 마주보게 배치하여 빛이 수직으로 입사 하도록 조절한다.3. 광선 보기 테이블을 실험 하고자 하는 입사각으로 조절하여 굴절각을 측정한다.입사각굴절각 1굴절각 20°0°0°10°6°6°20°12°12°30°19°19°45°29°29°60°36°36°입사각굴절각계산한0°0°10°6°1.661°20°12°1.645°30°19°1.536°45°29°1.459°60°36°1.473°4. 실험 결과 값의 계산를 이용하여 를 계산해 보았더니 1.555라는 평균값이 나왔다.5. 검토 및 토의실험 결과, 입사각과 굴절각의 비가 와 일치했다.측정을 정확하게 할 수 있었다면, 오차 범위가 줄어들었을 것이다.6. 결론식을 이용해 아크릴의 굴절률을 측정해 보았더니 대략 1.555정도 나왔다. 입사각과 굴절각의 비율로 보아 빛이 굴절할 때 과 같은 굴절의 법칙이 유요하다는 것을 확인할 수 있었다.1. 빛이 렌즈의 평면을 수직으로 통과할 때 광선의 방향은 휘어집니까?- 결과 값을 보았을 때 입사각이 0도 일 때 굴절각도 0도 임을 알 수 있기 때문에 광선은 휘어지지 않는다.2. 빛이 렌즈의 원형면을 수직으로 통과할 때, 광선의 방향은 휘어집니까?- 렌즈의 원형면을 수직으로 통과하면 광선의 방향은 질문 1과 동일하게 휘어지지 않고 렌즈를 일직선으로 통과한다. 테이블을 회전시켜 표 4.1에 나와 있는 것 처럼 입사각을 준다. 각 입사각에 대하여 굴절각을 측정한다. (굴절각1) 이 측정을 반대 방향에 대해서 반복한다. (굴절각2)3. 두 실험의 결과는 같습니까? 만약 그렇지 못하다면 무엇 때문에 이러한 차이가 생겼는지 논의하십시오.- 두 실험의 결과는 미세한 차이가 난다. 그 이유는 실험 중 입사각을 조절하기 위해서 광선 보기 테이블을 회전시킬 때 렌즈가 흔들렸거나 측정자의 측정 실수 등으로 오차가 발생 하였다고 볼 수 있다. 별도의 종이에 x 축은 굴절각의 sine 함수로 y 축은 입사각의 sine 함수로 그래프를 그린다. 이 데이터들을 직선에 대하여 휘팅 시킨다.4. 그래프는 굴절의 법칙과 잘 일치 합니까?- 잘 일치한다. 스넬의 법칙 n1sinθ1=n2sinθ2 진공에서의 굴절률은 1이기 때문에 n2=sinθ1/ sinθ2 임을 알 수 있다. 그렇기 때문에 그래프는 굴절의 법칙과 일치한다고 볼 수 있다.5. 휘팅시킨 직선의 기울기를 구하십시오. 이 기울기는 아크릴의 굴절율을 의미합니다 (공기의 굴절율을 1이라고 가정하였을 경우)- → n = 1.471. 큰 입사각에 대하여 굴절각을 구하는데 어떠한 어려움이 있습니까?- 입사각이 커지면 굴절각도 커지게 되는데 광선 분산이 일어나 측정에 어려움이 있었다.2. 빛은 모두 굴절됩니까? 반사되는 것은 있습니까? 원통형 렌즈가 잘 정렬되어 있는지 알아보는 방법으로는 어떠한 것이 있겠습니까?- 빛이 모두 굴절되지 않는다. 반사되는 부분이 약간 있다. 서로 다른 매질의 경계면에서 반사되는 빛이다.원통형 렌즈가 잘 정렬되어 있는지 알아보는 방법으로는 빛을 렌즈로 수직으로 입사 시켰을 때 광선이 렌즈의 정중앙을 일직선으로 통과한다면 잘 정렬되어 있다고 볼 수 있다. 또 다른 방법으로는 입사각의 각도를 바꾸어 보면서 굴절각 1,2 의 값이 같다면 잘 정렬되었다고 볼 수 있다.3. 양쪽 방향에 대하여 실험한 결과를 평균내면 결과의 정확성을 증가시키는데 어떠한 도움을 줄까요?- 측정 값보다 더 정확한 굴절각을 알 수 있다. 렌즈의 굴절률 또한 더 정확히 알 수 있다.7. 참고문헌두산백과, “빛의 굴절”비상학습백과 중학교 과학, “빛의 굴절”문용식, 기초 광학 실험, 북스힐위키백과, “스넬의 법칙”, Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/" https://ko.wikipedia.org/wiki/스넬의법칙김경헌 외 14인, 대학물리학, (인하대학교 출판부, 인천, 2006), 제23장.D. Halliday et al, FUNDAMENTALS OF PHYSICS, (John Wiley & Sons, Inc., 2005. 7/E), Chapter 33.한국물리학회, 일반물리학실험, (請文閣, 1997), p.231정보통신기술용어해설, http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=2523
광학실험Ⅰ실험 5 : 빛의 굴절 법칙 21. 목적빛이 반대 방향 (진한 매질에서 공기로) 진행 할 때 굴절의 법칙이 일치하는지 확인하고 전반사의 원리를 알아본다.2. 이론적 배경광선이 광학매질 a로부터 매질 b로 분리된 경계면을 지날 때, 광선의 진로는 굽어진다. 굴절광선은 법선쪽으로 굽어진다. 입사각을 , 굴절각을 라고 한다. 스넬의 법칙에 따르면 입사각과 굴절각의 정현의 비는 어떤 상수와 같고, 그 상수는 두 물질의 성질과 빛의 파장에 따라 달라진다. 그리고 입사광선, 굴절광선, 면의 법선은 모두 동일한 입사면 상에 있다. 상수 는 상대굴절률이며, 매질 a의 광속 와 매질 b의 광속 의 비율이다.광선이 여러 매질을 지나면서 굴절되었다가 마지막에 거울 면에 수직으로 입사하면 반사된 광선은 원래의 경로를 따라 다시 돌아가게 된다. 광선이 a에서 b로 갈 때의 굴절률 는 서로 역수이다. , =4/3, =3/4, =2/3 가 1보다 더 커질 때에는 두 번째 매질에서 더 큰 굴절이 생기고, 광선은 법선 쪽으로 굽어진다.빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행 할 때 입사각이 임계각보다 클 경우 경계면에서 전부 반사(100% 반사)되는 현상이다. 일반적으로 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하면 경계면에서 일부는 투과해 나가고 일부는 반사된다. 그러나 입사각을 점점 증가시키면 특정한 각 이상이 되었을 때 투과하는 빛은 전혀 없고 전부 경계면에서 반사한다. 이것을 전반사라고 하며, 이 때의 입사각을 임계각이라고 한다.3. 실험방법 및 결과실험 장비 : 광학대 , 광선 보기 테이블 , 광학부품 고정대 , 슬릿판 , 슬릿마스크 , 원통형 렌즈1. 광원을 슬릿판과 슬릿마스크를 통과시켜 빛이 한 줄기만 나오도록 배치하여 광선 보기 테이블의 정중앙을 통과하도록 한다.2. 원통형 렌즈의 평면을 광원과 마주보게 하여 빛이 수직 입사 하도록 한다. 이때의 입사각과 굴절각을 입사각1, 굴절각1로 정의한다.3. 원통형 렌즈를 180도 회전시켜 곡면을 광원과 마주보게 한 후, 굴절각1을 입사각2로 놓은 후 나온 굴절각을 굴절각 2로 정의한다.4. 2번 과정에서 평면을 곡면, 3번 과정에서 곡면을 평면으로 바꾸어 다시 실험한다.평면곡면입사각 1굴절각 2굴절률입사각 1굴절각2=입사각2굴절각 2굴절률00없음000없음1091.111013.6201.4520121.662029471.5530281.073045.5전반사4545145반사60591.09604. 실험 결과 값의 계산5. 검토 및 토의두 매질의 양쪽 방향에서 들어가는 광선에 대해 같은 굴절의 법칙을 만족한다. 빛이 평면으로 입사해 굴절할 때와, 빛이 곡면으로 입사해 굴절할 때는 차이가 존재한다. 특정 각도 이상부터는 굴절이 아닌 반사로 바뀌는 전반사를 볼 수 있다. 오차 요인으로는 측정자의 측정 오류가 있다.6. 결론두 매질의 양쪽 방향에서 들어가는 광선에 대해 같은 굴절의 법칙을 만족한다. 광학적 가역성의 원리는 굴절과 마찬가지로 반사의 경우에서도 성립한다. 특정 각도 이상부터는 굴절이 아닌 반사로 바뀌는 전반사를 볼 수 있다. 굴절과 반사는 가역성의 원리다.1. 얻어진 입사각 1과 굴절각 1로 부터 원통형 렌즈의 재질인 아크릴의 굴절율을 구하십시오.- = 1.5552. 얻어진 입사각 1과 굴절각 2로 부터 원통형 렌즈의 재질인 아크릴의 굴절율을 다시 구하시시오.- = 1.453. 두 매질의 양쪽 방향에서 들어가는 광선에 대해 같은 굴절의 법칙을 만족합니까?- 평면과 곡면에 들어가는 광선 모두 입사각과 굴절각은 스넬(굴절)의 법칙을 만족하고 특정 각 부터는 굴절이 일어나지 않으며 반사가 일어나기 시작한다.4. 별도의 종이를 준비하여 원통형 렌즈를 통과하는 광선을 그립니다. 렌즈의 양면을 통과하는광선의 입사각과 굴절각을 맞추어 정확하게 그리십시오. 이때 광선의 방향은 화살표로 표시합니다. 이제 화살표의 방향을 거꾸로 하여 역방향으로 빛이 진행할 때, 새로운 입사각과 굴절각에서도 굴절의 법칙이 만족하는 것을 보이십시오.7. 참고문헌두산백과, “빛의 굴절”비상학습백과 중학교 과학, “빛의 굴절”문용식, 기초 광학 실험, 북스힐김봉환 외 8인, 실무 기하광학, 범한서적주식회사, 제3장위키백과, “스넬의 법칙”, Hyperlink "https://ko.wikipedia.org/wiki/" https://ko.wikipedia.org/wiki/스넬의법칙김경헌 외 14인, 대학물리학, (인하대학교 출판부, 인천, 2006), 제23장.D. Halliday et al, FUNDAMENTALS OF PHYSICS, (John Wiley & Sons, Inc., 2005. 7/E), Chapter 33.한국물리학회, 일반물리학실험, (請文閣, 1997), p.231정보통신기술용어해설, http://www.ktword.co.kr/abbr_view.php?m_temp1=2523
